硅负极的魔咒何解？Si/C复合的破咒之道

硅基负极的前景被大家看好，但是硅负极存在让人头疼的缺陷，比如导电性差、体积膨胀等，严重限制了硅基负极的实际应用。

除了对硅材料进行纳米化改性外，研究者还探索了其他路径对硅负极进行优化。路径之一就是将硅颗粒与碳类材料复合提升硅基负极的性能，缓解硅负极本身存在的缺陷。

1、Si/C壳结构复合

为了改善硅负极的缺陷，研究人员在硅基材料的外层再包覆一层碳层作为保护层，用于缓冲循环过程中体积形变所产生的应力，同时还可以增加负极材料的电子电导和离子电导。

Si/C壳核结构示意图

这种Si/C复合结构包括核壳结构、蛋黄壳结构和多孔结构等。壳结构将碳壳包覆Si核，优势在于完整的外壳充当缓冲层，可有效地减轻Si的体积膨胀，从而避免Si电极开裂并保持其形态。完整的外壳阻止了Si与电解质之间的直接接触，这有助于形成稳定的SEI膜，从而使其可以获得优异的循环稳定性。同时，完整的壳还减少了由于Si表面与电解质之间直接接触而产生的副反应。此外，外壳可以由许多其他功能性材料组成，这些功能性材料可以提高电子传导性，促进锂离子快速扩散，提供额外的容量或带来新的性能。

2、Si/石墨烯复合

石墨烯具有较高的比表面积、良好的电导率和良好的机械性能，可提高硅的可逆容量、循环稳定性和速率性能。因此，研究人员对Si/石墨烯进行复合。Chou等通过简单混合法制备了纳米级硅/石墨烯复合物。在石墨烯独特的片状结构中，Si纳米颗粒分散而不团聚。Huang等通过简单的球磨和炭化工艺合成了一种新型硅/微剥离石墨（SEG）/碳复合材料。SEG层间具有丰富的孔隙和空隙，对Si的膨胀和整个复合材料的导电性骨架起到缓冲作用。非晶态碳提高了Si纳米颗粒的导电性，并使Si纳米颗粒与SEG之间有良好的连接。该材料在电流密度0.1和0.5A/g下分别表现出1456和1056mA·h/g的可逆容量。为了解决石墨（或石墨烯）与Si之间的界面附着力差所带来的问题，同时实现高容量和良好的循环性，通过引入非晶碳等第三相来构建多组分体系是很有吸引力的。相比之下，Si/石墨烯复合材料的容量保留率和初始库仑效率均显著高于纳米Si。

3、Si/碳纳米管复合

碳纳米管是由单层或多层的石墨片卷曲而成的一维量子材料，层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，层间距较大有利于锂离子的脱嵌。与石墨相比，碳纳米管和纳米碳纤维等具有良好的电导率、优异的机械强度和较高的弹性模量。因此，碳纳米管和纳米碳纤维可以更有效地构建导电网络和更好的韧性矩阵，以减轻硅负极材料的体积膨胀引起的不良影响。具有高电导率、大比表面积、优异的机械和化学稳定性的一维碳纳米管被广泛用作支撑纳米硅的基材。碳纳米管的添加改善了电极的电子/离子电导率，保护了SEI膜并防止了硅颗粒在循环过程中的聚集。

Wang等用射频等离子体增强化学气相沉积法制备出了Si/碳纳米管复合材料。电化学测试结果表明，首次可逆比容量为2978mA·h/g，循环200次之后容量保持率保持在一个较高的水平，循环稳定性能优异。他们认为这归因于碳纳米管能够缓冲硅的体积变化，保证了电极结构的完整，并且薄膜孔隙大小的分级结构使得界面脱层问题得到有效缓解。

以上是关于Si/C复合材料三个路径的介绍，对于硅碳复合材料的研究还有不少其他成果，这里不再列举。通过Si/C复合的路径，能够显著改善硅负极材料的电化学性能，可以有效地缓解硅的体积效应，提高电极材料的循环稳定。随着研究的深入，相信未来硅基负极的商业化之路将会越来越平坦。

参考来源：

[1]瞿诗鹏.硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料研究进展

[2]张伟等.锂离子电池硅/碳复合负极材料研究进展

[3]邱治文等.Si基锂离子电池负极材料研究进展

[4]韩慕瑶等.硅及硅基负极材料的研究进展

[5]郝浩博等.锂离子电池硅基负极材料研究与进展

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